半連續(xù)式真空感應(yīng)爐冶煉鎳基高溫合金

馮兆龍 鄭曉光

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所，河南471027)

半連續(xù)式真空感應(yīng)爐是國內(nèi)設(shè)計(jì)思路較為完整先進(jìn)的冶煉設(shè)備。該設(shè)備具有容量大、冶煉狀態(tài)下試樣提取、添補(bǔ)料、漏鋼探測(cè)自動(dòng)報(bào)警、專用鋼液攪拌等特點(diǎn)。試樣提取系統(tǒng)能充分克服因爐料配比、秤重過程中可能出現(xiàn)的成分偏差；添補(bǔ)加料系統(tǒng)提供了保證成分穩(wěn)定準(zhǔn)確的設(shè)備基礎(chǔ)；漏鋼自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)杜絕了單靠人為方式發(fā)現(xiàn)漏爐而可能導(dǎo)致的冶煉廢品和設(shè)備事故；專門設(shè)計(jì)的鋼液攪拌系統(tǒng)充分保證了大容量條件下鋼中C-O反應(yīng)及脫氣、成分的均勻性；測(cè)溫系統(tǒng)保證了在澆注時(shí)精確控制溫度的要求。它本身的工藝裝備為進(jìn)行合金以及其它高技術(shù)要求的合金冶煉提供了有力保證。

1 高溫合金的真空冶金

高溫合金是具有特殊物理性能的一類合金，有除力學(xué)特性以外的其它功能，又稱熱強(qiáng)合金、耐熱合金或超合金。高溫合金是制造航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端部件、航天火箭發(fā)動(dòng)機(jī)各種高溫部件的關(guān)鍵材料，也是制造地面燃?xì)廨啓C(jī)、能源、冶金及化工等工業(yè)部門所需高溫耐腐蝕部件的材料。高溫合金的研制和生產(chǎn)水平是一個(gè)國家金屬材料發(fā)展水平的標(biāo)志之一。因雜質(zhì)元素對(duì)其性能有明顯影響必須得到有效控制，尤其是對(duì)能在合金中形成間隙固溶體的C、N、O、H等元素要求更嚴(yán)格。根據(jù)冶金學(xué)的原理可知，真空狀態(tài)對(duì)去除以上幾種有害元素有極大的優(yōu)越性[1～3]。

1.1 真空冶金的一般規(guī)律

冶金過程中的各種化學(xué)反應(yīng)，都向平衡態(tài)方向自發(fā)進(jìn)行。對(duì)于有氣體生成的反應(yīng)來說，在溫度不變而氣體壓力變動(dòng)的情況下，自由能的變化可用公式表示：

ΔG=nRTlP2/P1

式中n——?dú)怏w摩爾數(shù)；

R——?dú)怏w常數(shù)；

T——絕對(duì)溫度，單位為K；

l——爐體體積，單位為m3；

P1，P2——反應(yīng)始、終態(tài)時(shí)氣體壓力，單位為Pa。

由上式可知，氣體的自由能與溫度及其摩爾數(shù)成正比，壓力的絕對(duì)值不起作用，重要的只是氣體始、終態(tài)的壓力比。在P2﹤P1時(shí)，即壓力降低時(shí)ΔG﹤0，可見減少系統(tǒng)的壓力后化學(xué)平衡向著增多氣態(tài)物質(zhì)的方向移動(dòng)。也就是說，真空可使已達(dá)到平衡的脫氣、脫碳和脫氧反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，從而提高鋼液質(zhì)量。

1.2 真空條件下碳的脫氧能力

真空條件下的鋼液中存在基本反應(yīng)：

[C]+[O]=CO(氣)

碳的脫氧產(chǎn)物是CO氣體，在降低壓力的情況下，平衡向產(chǎn)生CO的方向移動(dòng)，使碳的脫氧能力提高了。在真空下碳的脫氧能力很強(qiáng)，當(dāng)氣相降低至10.1325 kPa時(shí)，碳的脫氧能力將超過硅，繼續(xù)降低氣相壓力至133.322 Pa時(shí)，則碳的脫氧能力大于鋁。但是，在實(shí)際情況下碳的脫氧能力并不像理論計(jì)算那樣無限地提高。在反應(yīng)中還受其它因素的影響。

1.3 真空下碳脫氧反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)因素

從動(dòng)力學(xué)角度來看，在CO氣泡和鋼液的界面上以及鋼液小滴和氣相之間的交界面上，脫氧產(chǎn)物CO以分子形式直接從液相揮發(fā)到氣相中去，而不再受鋼液靜壓力和毛細(xì)管壓力的作用。因此，在這些界面上的[%C]、[%O]值可降低至熱力學(xué)平衡值的水平。除此之外，控制碳氧反應(yīng)速度的將是鋼液中的碳和氧間氣、液界面的傳質(zhì)速度。碳在鋼液中的擴(kuò)散速度比氧大(De=2×10-4，DO=2.6×10-5)；碳含量一般又超過氧含量，因此氧的傳質(zhì)是真空下脫氧反應(yīng)速度的控制環(huán)節(jié)。

1.4 真空下鋼液的脫氣

真空感應(yīng)爐條件下，未脫氧的鋼液靠真空條件促進(jìn)碳氧反應(yīng)，從而達(dá)到脫氫和脫氮的目的。在高溫及氣相的分壓力很低的狀態(tài)下，脫氫、脫氮、脫氧等都把由液相向氣-液界面?zhèn)髻|(zhì)看作是脫氣過程的控制環(huán)節(jié)。有資料表明，在真空感應(yīng)爐中傳質(zhì)系數(shù)：kH=91×10-3cm/s，kN=14.5×10-3cm/s，kC=45.5×10-3cm/s。

1.5 真空下耐火材料與含碳鋼液的相互作用

從理論上說有氣體產(chǎn)生的反應(yīng)在真空條件下碳的脫氧能力增強(qiáng)。據(jù)資料所載，當(dāng)碳在金屬液中的含量極低(%C=0.02)、活度很小的情況下，耐火材料MgO和鋼水中的碳氧平衡的CO分壓力仍大大超過目前真空感應(yīng)爐的工作壓力范圍：(10-2Pa～10 Pa)。

MgO(固)=Mg(g)+[O]
[C]+[O]=CO(氣)
MgO(固)+[C]=Mg(氣)+CO(氣)

反應(yīng)將不斷向降低金屬中碳含量的方向，即產(chǎn)生氣體的方向進(jìn)行。

2 冶煉INCONEL718合金的工藝

2.1 爐襯材料準(zhǔn)備

采用美國聯(lián)合礦產(chǎn)(天津)有限公司生產(chǎn)的電熔鎂砂DRI-VIBE 673M作為爐襯材料，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 爐襯材料成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Furnace lining material composition (mass fraction，%)

采用電熔鎂砂作爐襯材料除具有純度高、雜質(zhì)少、化學(xué)穩(wěn)定性好等原因之外，還可以有效防止被還原的生成金屬鎂進(jìn)入熔池產(chǎn)生污染。因?yàn)殒V的蒸氣壓大，極易揮發(fā)，況且在鐵基和鎳基高溫合金中是不熔解的，有利于得到非金屬夾雜物較少的金屬。尖晶石熔點(diǎn)較鋼的冶煉溫度高，在煉鋼溫度(1 540～1 600℃)呈固態(tài)形式存在，具有形成良好的堅(jiān)硬八面體晶體的強(qiáng)烈傾向，參與形成燒結(jié)層，耐沖刷和侵蝕，而且對(duì)于形成C-O反應(yīng)的核心領(lǐng)先有很大作用，促進(jìn)脫氧產(chǎn)物CO的形成。

2.2 金屬料的準(zhǔn)備

表2為INCONEL718合金的成分，按照此成分以及性能方面的要求，原料要求如下。

表2 INCONEL718成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 INCONEL718 composition (mass fraction，%)

在加料以前對(duì)爐料進(jìn)行預(yù)處理是十分必要的。加料前爐料要經(jīng)過噴砂、酸洗或堿洗以潔凈表面。爐料必須干燥，裝料前要進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮婵?。通常只能一次加料，因此為獲得精確的合金成分，必須對(duì)爐料進(jìn)行精確的計(jì)算和秤量。還要考慮到爐料的大小及搭配，使?fàn)t料在裝料時(shí)緊密接觸，而在熔化時(shí)又不發(fā)生“架橋”現(xiàn)象。

裝料前，要將坩堝內(nèi)壁清理干凈，否則合金中的夾雜物會(huì)增加很多。裝料量應(yīng)按一次澆滿鑄錠為宜。裝料次序原則上為熔點(diǎn)高的，難揮發(fā)或蒸發(fā)的原料如鎳、鎢、鈷、鉬、鉻等先加?；钚栽乜勺鳛樘砑恿习卜旁诩恿掀鲀?nèi)，在熔化過程中加入。為了加速爐料的熔化，大塊料通常放在坩堝壁的附近，而在坩堝的中央放小塊的料。大塊料間應(yīng)適當(dāng)充填小塊的料，爐料應(yīng)下緊上松，爐料不要高過感應(yīng)器太多。

金屬料良好的表面狀況及適宜的形狀，為減少外部夾雜的帶入、防止熔化過程中的噴濺、降低[H]的增加以及縮短熔化時(shí)間創(chuàng)造了條件。

2.3 冶煉過程與分析

2.3.1 熔化期

熔化期在煉鋼工藝中十分重要，如何縮短熔化期成為人們關(guān)心的熱點(diǎn)。在電爐煉鋼、非真空感應(yīng)等冶煉方式中，熔化期幾乎占據(jù)整個(gè)冶煉過程的三分之二。盡可能提高熔化速度，一方面可節(jié)約能源，另一方面可防止過分吸氣，影響鋼的質(zhì)量。根據(jù)爐料的具體情況和坩堝使用的次數(shù)來確定真空感應(yīng)爐熔化期的操作。當(dāng)爐料表面狀況不理想、坩堝剛使用時(shí)，在保證真空度的前提下，可以適當(dāng)延長熔化階段，以防止坩堝受熱過急而產(chǎn)生裂紋以及噴濺過多而產(chǎn)生鐵損。

試驗(yàn)所用回爐料狀況良好，新配料料塊均勻，表面潔凈，不易因?yàn)檠b料不慎而產(chǎn)生“架橋”。冶煉開始，送電功率為50 kW，真空度為10 Pa；30 min后開啟增壓泵，轉(zhuǎn)高真空，功率升至200 kW，真空度為3.5 Pa；50 min后，爐內(nèi)金屬原料部分熔化，無金屬、非金屬氧化物噴濺現(xiàn)象。已形成的部分鋼液表面較平靜，功率為300 kW，真空度為0.1 Pa，一直到50 min后全部熔化，發(fā)現(xiàn)液面開始有少許氣泡出現(xiàn)，真空度略有升高。至此，熔煉化期結(jié)束，時(shí)間為100 min。

2.3.2 精煉期

熔化期是鋪墊，進(jìn)入精煉期便是關(guān)鍵。在這一階段進(jìn)行的所有操作都要將前面闡述的理論與實(shí)踐相結(jié)合。全熔5 min后，測(cè)得溫度為1 520℃，達(dá)到精煉溫度，氣泡形成量略有增多，鋼液中的富氧與加入的脫氧、脫碳物質(zhì)開始反應(yīng)。此時(shí)不會(huì)引起坩堝的大量供氧，因?yàn)橐环矫媾c碳相平衡的游離氧量沒有過多消耗，另一方面精煉期的時(shí)間還很短。為使壓力平衡，向爐內(nèi)充入適量氬氣，并停止所有泵的工作。待溫度調(diào)整合適后即可加入剩余合金料。所有爐料熔化完畢后使用電磁攪拌功率進(jìn)行攪拌均勻后即可出鋼澆注。

根據(jù)真空理論可知，真空條件下利用攪拌促進(jìn)C-O反應(yīng)，會(huì)加速對(duì)爐襯材料的侵蝕，增加了提高鋼中非金屬夾雜物的可能性。因此，不能單純認(rèn)為攪拌是有利無害的。同時(shí)不能忽視坩堝供氧問題，因?yàn)樗瑯訒?huì)消耗爐襯材料。選擇氧化鋁等坩堝還會(huì)污染鋼液，形成氧化物、氮化物夾雜，所以要掌握好脫碳量、精煉時(shí)間。

在精煉后期主要是進(jìn)行成分調(diào)整。在此階段，溫度不要過高，成分要均勻，以保證合金化過程中形成的非金屬夾雜能充分上浮和保持高的真空度。冷凍處理結(jié)束后，以大功率破開氧化膜，隨后降低功率，控制合金液體的溫度在1 500℃左右。然后分批加入鋁鈦，每批加入量小于2%，加入之后并進(jìn)行適當(dāng)電磁攪拌以利夾雜物上浮。

3 結(jié)論

(1)通過對(duì)INCONEL718合金的成功冶煉，更進(jìn)一步認(rèn)識(shí)了半連續(xù)式真空感應(yīng)爐的冶煉工藝特點(diǎn)，加深了理論理解。

(2)在冶煉過程中，合理控制送電功率、真空度、精煉時(shí)間并進(jìn)行適當(dāng)攪拌，對(duì)促進(jìn)夾雜物上浮是十分重要的。

(3)真空冶煉無渣操作要求原料表面狀況良好，不允許有氧化皮等雜質(zhì)。

(4)合理選擇坩堝材料并控制熔煉功率，可將材料中的氣體含量及夾雜物含量控制在較低的水平。

[1] 陳家祥.鋼鐵冶金學(xué)[M].北京科技大學(xué)，2002.

[2] 劉大任.特種冶金用新型耐火材料[M].沈陽：東北大學(xué)出版社，2001.

[3] 牛建平.純凈鋼及高溫合金制備技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2009.